METADOCK: A parallel metaheuristic schema for virtual screening methods

Virtual screening through molecular docking can be translated into an optimization problem, which can be tackled with metaheuristic methods. The interaction between two chemical compounds (typically a protein, enzyme or receptor, and a small molecule, or ligand) is calculated by using highly computationally demanding scoring functions that are computed at several binding spots located throughout the protein surface. This paper introduces METADOCK, a novel molecular docking methodology based on parameterized and parallel metaheuristics and designed to leverage heterogeneous computers based on heterogeneous architectures. The application decides the optimization technique at running time by setting a configuration schema. Our proposed solution finds a good workload balance via dynamic assignment of jobs to heterogeneous resources which perform independent metaheuristic executions when computing different molecular interactions required by the scoring functions in use. A cooperative scheduling of jobs optimizes the quality of the solution and the overall performance of the simulation, so opening a new path for further developments of virtual screening methods on high-performance contemporary heterogeneous platforms.Ingeniería, Industria y Construcció

Estrategias de paralización para la optimización de métodos computacionales en el descubrimiento de nuevos fármacos.

El descubrimiento de fármacos es un proceso largo y costoso que involucra varias etapas; entre ellas destaca la identificación de candidatos a fármacos; es decir moléculas potencialmente activas para neutralizar una determinada proteína involucrada en una enfermedad. Esta etapa se fundamenta en la optimización del acoplamiento molecular entre un receptor y un ingente número de candidatos a fármacos, para determinar cuál de estos candidatos obtiene una mayor intensidad en el acoplamiento. El acoplamiento molecular entre dos compuestos bioactivos está sujeto a una serie de fenómenos físicos presentes en la naturaleza y que se modelan a través de una función de scoring. Estos modelos representan los comportamientos de las moléculas en la naturaleza, permitiendo trasladar esta interacción molecular a una simulación en plataformas computacionales de silicio. Esta tesis doctoral plantea la aceleración y mejora de los métodos de descubrimiento de nuevos fármacos mediante técnicas de inteligencia artificial y paralelismo. Se propone un esquema metaheurístico parametrizado y paralelo que determine la interacción molecular entre compuestos bioactivos. Las técnicas metaheurísticas son técnicas algorítmicas empleadas, generalmente, en la optimización de cualquier tipo de problema, proporcionando soluciones satisfactorias. Algunos ejemplos de metaheurísticas incluyen búsquedas locales; que centran su campo de actuación a su entorno de soluciones (vecinos) más cercanos; búsquedas basadas en poblaciones muy utilizadas en la simulación de procesos biológicos y entre los que destacan los algoritmos evolutivos o las búsquedas dispersas por mencionar algunos ejemplos. Los esquemas parametrizados de metaheurísticas definen una serie de funciones básicas (Inicializar, Fin, Seleccionar, Combinar, Mejorar e Incluir) a fin de parametrizar el tipo de metaheurística concreta a instanciar en cada ejecución de la aplicación, permitiendo así no sólo la optimización del problema a resolver, sino también del algoritmo empleado para su resolución. Trabajar con una combinación de parámetros u otra es un factor vital para encontrar una buena solución al problema. Para abordar este número elevado de parámetros necesitamos alguna estrategia para este nuevo problema de optimización que surge. Esta estrategia es la hiperheurística, que busca la mejor de entre un conjunto de metaheurísticas aplicadas a un mismo problema. La gran mayoría de algoritmos metaheurísticos son, por definición, masivamente paralelos, y por tanto su implementación en plataformas secuenciales compromete tanto la eficiencia como la eficacia de los mismos. En ésta tesis doctoral se adapta además la instanciación del esquema metaheurístico a plataformas masivamente paralelas y heterogéneas como procesadores de memoria compartida y tarjetas gráficas. Las técnicas masivamente paralelas en GPU con soporte CUDA ayudan a realizar estos cálculos poniendo a disposición de la aplicación miles de núcleos capaces de funcionar en paralelo y, además, con la posibilidad de compartir memoria entre ellos y así reducir aún más los accesos a memoria. Aun así, existen compuestos celulares de decenas de miles de átomos para los que el uso de una sola GPU puede ser insuficiente, convirtiéndola en un cuello de botella. Esto hace necesario extender el esquema a multiGPU para dividir la carga computacional y poder abordar este tipo de compuestos con suficientes garantías de rendimiento. Para mejorar el rendimiento y maximizar la paralelización de la aplicación, es fundamental aprovechar al máximo los recursos que nos ofrece la máquina, por ello, se realiza un trabajo previo para ajustar los parámetros de la opción paralela elegida al entorno de ejecución y trabajar con los parámetros que mejor se adapten a la máquina. En un nodo, podemos tener un número limitado de GPUs, y para simular una molécula podemos obtener buenos rendimientos, pero en el problema de descubrimiento de fármacos, podemos tener millones de candidatos a fármacos con los que simular. En este caso, escalamos a un clúster de cómputo. Uno de los enfoques tomados por la comunidad para aprovechar todos los recursos de un clúster de computadores, de manera transparente al usuario, ha sido la virtualización del sistema. Entornos como (VMWARE, XEN) virtualizan todo el sistema y no solo una parte, siendo muy inadecuado en entornos de computación de alto rendimiento, ya que las restricciones a que deben someterse al ser un entorno compartido, introducen una sobrecarga que no es posible asumir. En lugar de virtualizar todo el sistema, sería virtualizar solo un conjunto de recursos específicos, como las GPUs. Este trabajo lo realiza un middleware muy potente denominado rCUDA. Este software permite el uso simultáneo y remoto de GPUs con soporte CUDA. Para habilitar la aceleración remota de GPUs, este software del sistema crea dispositivos virtuales compatibles con CUDA en máquinas sin GPUs locales. Además, rCUDA aporta una reducción de la complejidad algorítmica, evitando utilizar técnicas basadas en paso de mensajes (MPI), muy utilizadas en este tipo de entornos de cómputo. Las técnicas algorítmicas que se van a desarrollar, van a posibilitar la elección de las diferentes plataformas de cómputo disponibles optimizando el entorno de ejecución y, balanceando la carga de trabajo con los parámetros de configuración más idóneos.Ingeniería, Industria y Construcció

Development of High Performance Molecular Dynamics with Application to Multimillion-Atom Biomass Simulations

An understanding of the recalcitrance of plant biomass is important for efficient economic production of biofuel. Lignins are hydrophobic, branched polymers and form a residual barrier to effective hydrolysis of lignocellulosic biomass. Understanding lignin\u27s structure, dynamics and its interaction and binding to cellulose will help with finding more efficient ways to reduce its contribution to the recalcitrance. Molecular dynamics (MD) using the GROMACS software is employed to study these properties in atomic detail. Studying complex, realistic models of pretreated plant cell walls, requires simulations significantly larger than was possible before. The most challenging part of such large simulations is the computation of the electrostatic interaction. As a solution, the reaction-field (RF) method has been shown to give accurate results for lignocellulose systems, as well as good computational efficiency on leadership class supercomputers. The particle-mesh Ewald method has been improved by implementing 2D decomposition and thread level parallelization for molecules not accurately modeled by RF. Other scaling limiting computational components, such as the load balancing and memory requirements, were identified and addressed to allow such large scale simulations for the first time. This work was done with the help of modern software engineering principles, including code-review, continuous integration, and integrated development environments. These methods were adapted to the special requirements for scientific codes. Multiple simulations of lignocellulose were performed. The simulation presented primarily, explains the temperature-dependent structure and dynamics of individual softwood lignin polymers in aqueous solution. With decreasing temperature, the lignins are found to transition from mobile, extended to glassy, compact states. The low-temperature collapse is thermodynamically driven by the increase of the translational entropy and density fluctuations of water molecules removed from the hydration shell

Roadmap on Electronic Structure Codes in the Exascale Era

Electronic structure calculations have been instrumental in providing many important insights into a range of physical and chemical properties of various molecular and solid-state systems. Their importance to various fields, including materials science, chemical sciences, computational chemistry and device physics, is underscored by the large fraction of available public supercomputing resources devoted to these calculations. As we enter the exascale era, exciting new opportunities to increase simulation numbers, sizes, and accuracies present themselves. In order to realize these promises, the community of electronic structure software developers will however first have to tackle a number of challenges pertaining to the efficient use of new architectures that will rely heavily on massive parallelism and hardware accelerators. This roadmap provides a broad overview of the state-of-the-art in electronic structure calculations and of the various new directions being pursued by the community. It covers 14 electronic structure codes, presenting their current status, their development priorities over the next five years, and their plans towards tackling the challenges and leveraging the opportunities presented by the advent of exascale computing.Comment: Submitted as a roadmap article to Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering; Address any correspondence to Vikram Gavini ([email protected]) and Danny Perez ([email protected]

Roadmap on Electronic Structure Codes in the Exascale Era

Electronic structure calculations have been instrumental in providing many important insights into a range of physical and chemical properties of various molecular and solid-state systems. Their importance to various fields, including materials science, chemical sciences, computational chemistry and device physics, is underscored by the large fraction of available public supercomputing resources devoted to these calculations. As we enter the exascale era, exciting new opportunities to increase simulation numbers, sizes, and accuracies present themselves. In order to realize these promises, the community of electronic structure software developers will however first have to tackle a number of challenges pertaining to the efficient use of new architectures that will rely heavily on massive parallelism and hardware accelerators. This roadmap provides a broad overview of the state-of-the-art in electronic structure calculations and of the various new directions being pursued by the community. It covers 14 electronic structure codes, presenting their current status, their development priorities over the next five years, and their plans towards tackling the challenges and leveraging the opportunities presented by the advent of exascale computing

Roadmap on Electronic Structure Codes in the Exascale Era

Electronic structure calculations have been instrumental in providing many important insights into a range of physical and chemical properties of various molecular and solid-state systems. Their importance to various fields, including materials science, chemical sciences, computational chemistry and device physics, is underscored by the large fraction of available public supercomputing resources devoted to these calculations. As we enter the exascale era, exciting new opportunities to increase simulation numbers, sizes, and accuracies present themselves. In order to realize these promises, the community of electronic structure software developers will however first have to tackle a number of challenges pertaining to the efficient use of new architectures that will rely heavily on massive parallelism and hardware accelerators. This roadmap provides a broad overview of the state-of-the-art in electronic structure calculations and of the various new directions being pursued by the community. It covers 14 electronic structure codes, presenting their current status, their development priorities over the next five years, and their plans towards tackling the challenges and leveraging the opportunities presented by the advent of exascale computing

Optimización de algoritmos bioinspirados en sistemas heterogéneos CPU-GPU.

Los retos científicos del siglo XXI precisan del tratamiento y análisis de una ingente cantidad de información en la conocida como la era del Big Data. Los futuros avances en distintos sectores de la sociedad como la medicina, la ingeniería o la producción eficiente de energía, por mencionar sólo unos ejemplos, están supeditados al crecimiento continuo en la potencia computacional de los computadores modernos. Sin embargo, la estela de este crecimiento computacional, guiado tradicionalmente por la conocida “Ley de Moore”, se ha visto comprometido en las últimas décadas debido, principalmente, a las limitaciones físicas del silicio. Los arquitectos de computadores han desarrollado numerosas contribuciones multicore, manycore, heterogeneidad, dark silicon, etc, para tratar de paliar esta ralentización computacional, dejando en segundo plano otros factores fundamentales en la resolución de problemas como la programabilidad, la fiabilidad, la precisión, etc. El desarrollo de software, sin embargo, ha seguido un camino totalmente opuesto, donde la facilidad de programación a través de modelos de abstracción, la depuración automática de código para evitar efectos no deseados y la puesta en producción son claves para una viabilidad económica y eficiencia del sector empresarial digital. Esta vía compromete, en muchas ocasiones, el rendimiento de las propias aplicaciones; consecuencia totalmente inadmisible en el contexto científico. En esta tesis doctoral tiene como hipótesis de partida reducir las distancias entre los campos hardware y software para contribuir a solucionar los retos científicos del siglo XXI. El desarrollo de hardware está marcado por la consolidación de los procesadores orientados al paralelismo masivo de datos, principalmente GPUs Graphic Processing Unit y procesadores vectoriales, que se combinan entre sí para construir procesadores o computadores heterogéneos HSA. En concreto, nos centramos en la utilización de GPUs para acelerar aplicaciones científicas. Las GPUs se han situado como una de las plataformas con mayor proyección para la implementación de algoritmos que simulan problemas científicos complejos. Desde su nacimiento, la trayectoria y la historia de las tarjetas gráficas ha estado marcada por el mundo de los videojuegos, alcanzando altísimas cotas de popularidad según se conseguía más realismo en este área. Un hito importante ocurrió en 2006, cuando NVIDIA (empresa líder en la fabricación de tarjetas gráficas) lograba hacerse con un hueco en el mundo de la computación de altas prestaciones y en el mundo de la investigación con el desarrollo de CUDA “Compute Unified Device Arquitecture. Esta arquitectura posibilita el uso de la GPU para el desarrollo de aplicaciones científicas de manera versátil. A pesar de la importancia de la GPU, es interesante la mejora que se puede producir mediante su utilización conjunta con la CPU, lo que nos lleva a introducir los sistemas heterogéneos tal y como detalla el título de este trabajo. Es en entornos heterogéneos CPU-GPU donde estos rendimientos alcanzan sus cotas máximas, ya que no sólo las GPUs soportan el cómputo científico de los investigadores, sino que es en un sistema heterogéneo combinando diferentes tipos de procesadores donde podemos alcanzar mayor rendimiento. En este entorno no se pretende competir entre procesadores, sino al contrario, cada arquitectura se especializa en aquella parte donde puede explotar mejor sus capacidades. Donde mayor rendimiento se alcanza es en estos clústeres heterogéneos, donde múltiples nodos son interconectados entre sí, pudiendo dichos nodos diferenciarse no sólo entre arquitecturas CPU-GPU, sino también en las capacidades computacionales dentro de estas arquitecturas. Con este tipo de escenarios en mente, se presentan nuevos retos en los que lograr que el software que hemos elegido como candidato se ejecuten de la manera más eficiente y obteniendo los mejores resultados posibles. Estas nuevas plataformas hacen necesario un rediseño del software para aprovechar al máximo los recursos computacionales disponibles. Se debe por tanto rediseñar y optimizar los algoritmos existentes para conseguir que las aportaciones en este campo sean relevantes, y encontrar algoritmos que, por su propia naturaleza sean candidatos para que su ejecución en dichas plataformas de alto rendimiento sea óptima. Encontramos en este punto una familia de algoritmos denominados bioinspirados, que utilizan la inteligencia colectiva como núcleo para la resolución de problemas. Precisamente esta inteligencia colectiva es la que les hace candidatos perfectos para su implementación en estas plataformas bajo el nuevo paradigma de computación paralela, puesto que las soluciones pueden ser construidas en base a individuos que mediante alguna forma de comunicación son capaces de construir conjuntamente una solución común. Esta tesis se centrará especialmente en uno de estos algoritmos bioinspirados que se engloba dentro del término metaheurísticas bajo el paradigma del Soft Computing, el Ant Colony Optimization “ACO”. Se realizará una contextualización, estudio y análisis del algoritmo. Se detectarán las partes más críticas y serán rediseñadas buscando su optimización y paralelización, manteniendo o mejorando la calidad de sus soluciones. Posteriormente se pasará a implementar y testear las posibles alternativas sobre diversas plataformas de alto rendimiento. Se utilizará el conocimiento adquirido en el estudio teórico-práctico anterior para su aplicación a casos reales, más en concreto se mostrará su aplicación sobre el plegado de proteínas. Todo este análisis es trasladado a su aplicación a un caso concreto. En este trabajo, aunamos las nuevas plataformas hardware de alto rendimiento junto al rediseño e implementación software de un algoritmo bioinspirado aplicado a un problema científico de gran complejidad como es el caso del plegado de proteínas. Es necesario cuando se implementa una solución a un problema real, realizar un estudio previo que permita la comprensión del problema en profundidad, ya que se encontrará nueva terminología y problemática para cualquier neófito en la materia, en este caso, se hablará de aminoácidos, moléculas o modelos de simulación que son desconocidos para los individuos que no sean de un perfil biomédico.Ingeniería, Industria y Construcció

計算機支援によるペプチド設計の理論と応用

学位の種別: 課程博士審査委員会委員 : (主査)東京大学客員准教授 富井 健太郎, 東京大学教授 菅野 純夫, 東京大学教授 浅井 潔, 東京大学准教授 木立 尚孝, 東京大学客員准教授 KamY. Zhang, 東京大学客員教授 泰地 真弘人University of Tokyo(東京大学

Computational Methods in Science and Engineering : Proceedings of the Workshop SimLabs@KIT, November 29 - 30, 2010, Karlsruhe, Germany

In this proceedings volume we provide a compilation of article contributions equally covering applications from different research fields and ranging from capacity up to capability computing. Besides classical computing aspects such as parallelization, the focus of these proceedings is on multi-scale approaches and methods for tackling algorithm and data complexity. Also practical aspects regarding the usage of the HPC infrastructure and available tools and software at the SCC are presented